面向电信系统的电源管理设计

架构比较

　　为了提供有意义的对比，图2、3和4中的每一个例子都采用了相同的输出电压和电流要求。这些例子均基于使用多个高性能DSP的理论基站，并配套使用了模拟和数字电路。在5A时该输出电压为3.3V，6.5A时为2.5V，11A时为1.8V，20A时为1.2V。图5对之前所述的架构进行了比较。从图5可以看出，确实有可能实现终极目标。半稳压或非稳压电源系统不仅实现了更高的效率，而且还节约了板级空间与系统成本。与第二代固定电压IBA相比，半稳压/非稳压IBA最为显著的改进是效率。如图5所示，电源转换效率提高了大约7%。对于一个200W的系统而言，这就相当于将热负载降低了14W。

　　在这些例子中之所以均使用了电源模块，是因为它们可提供最大的功率密度，并且是许多电信OEM厂商的首选解决方案。所有系统中均可以使用分立POL来降低成本，但是板级空间将会增加一倍。

　　电气性能

　　设计人员接下来需要应对的挑战是，满足所有系统内核中不断增加的高性能DSP和ASIC电气性能要求。主要性能问题包括电压稳压、电流瞬态响应和噪声。

　　稳压和电流瞬态响应密切相关。为了在解决方案尺寸越来越小且功耗越来越低的情况下获得更高的性能，要使用所需的电压也不断降低的更小的晶体管来制造数字半导体。现在低于1V的内核电压要求将成为标准的电压要求。除了低压以外，对电压容差的要求也越来越高。目前常用的标准是：线路(输入电压变化)、负载(负载电流微小变化)、时间、温度和电流瞬变等造成的总电压容差不超过3%。这样，电源设计人员就只有30mV的电压空间来满足所有的数字系统要求。线路、负载、时间和温度等DC参数还要占用大约一半(15mV)的容差预算。剩余的15mV则用来处理计算或数据传输负载带来的突发电流变化(1～3个时钟周期)。

　　容差预算对那些想在出现电流瞬态条件下最小化电压偏离的电源系统设计人员提出了挑战。如果内核电压(VCC)超出规定容差极限，那么数字IC可能会开始复位，否则就会产生逻辑错误。为了防止这一情况的发生，设计人员需要特别注意所使用的POL模块的瞬态性能。数字负载(例如：最新的千兆赫DSP)要求极快速的瞬态响应和极低电压偏离。为了达到这些目标，许多附加的输出电容器通常会被添加到DC/DC转换器中，以提供直到其反馈环路能够响应的保持时间。这种电源模块(包括为了满足瞬态电压容差而添加的电容)形成了这一完整的电源解决方案。

　　多年来，电容技术不断发展，容积效率不断提高。即便使用更高的容积效率，整个电源解决方案也会超过单个电源模块体积的两倍。这就要求占用PCB较大的空间，而在今天更为小型化的系统中通常不能提供这样大的空间。另外，在计入电容器成本的情况下，电源材料的成本甚至可能比电源模块成本的一倍还高。

　　随着DC/DC电源模块技术的不断创新，系统设计人员现在可以在使用更少输出电容的同时获得更快的瞬态响应、更小的电压偏离。TI推出的T2系列下一代 PTH模块(请参见图6)便是一个典型的例子。这些器件集成了一种被称为TurboTrans的新型专利技术，其允许对模块进行自定义调谐以满足特定的瞬态负载要求。只需使用一个单独的外部电阻器即可完成调谐。

 　　TurboTrans可以使输出电容降为原来的8/1，从而降低了电容的成本并节约了PCB空间。这种技术的另一个好处是，使用具有超低等效串联电阻(ESR)的电容器可提供增强的模块电路稳定性。这些更新型的Oscon、聚合物钽电容和陶瓷输出电容都具有一个额外的好处，即不但能够经受高温、而且采用无铅焊接工艺。

　　影响隔离式和POL转换器性能的决定性因素是噪声。开关式POL运行在不同频率上并共享一个共有输入总线时，由此产生的不同频率及其差异会造成拍频问题，对EMI滤波造成困难。由这些频率的和差分所产生的频率可以产生拍频，其使EMI过滤变得困难。

　　举例而言，如果一个系统拥有两个POL，其中一个运行在300kHz下，而另一个运行在301kHz 下，那么其拍频就是1kHz。这就要求具有更大、更复杂的系统滤波器。TI推出的T2电源模块拥有一个SmartSync特性，该特性使设计人员能够将多个T2模块的开关频率与特定频率同步，从而消除拍频，并使EMI滤波更加轻松。SmartSync可以用来设定频率，以使开关噪声在一个特别频率带(即xDSL传输频率)中被最小化。TurboTrans和SmartSync是T2电源模块上的标准特性，其并不会额外增加前面所述的系统的成本。

　　利用业界一流的电源模块构建的电信系统让系统将有助于系统设计人员缩小系统尺寸、降低功耗、满足高性能数字电路的电源要求，同时相比稳压电压 IBA 系统还可以降低电源成本。